红外高光谱资料近地面通道应用技术研究:海洋地区观测资料同化试验

由于下垫面的复杂性,卫星近地面通道的辐射率资料没有得到充分开发和利用.就我国自主研发的GRAPES-3DVar而言,红外高光谱近地面通道资料还没有应用于陆地,即使在下垫面相对简单的海洋,由于背景场海表温度估计不够准确,红外高光谱资料的使用效果也不甚理想.针对GRAPES模式的背景场海表温度估计不够准确这一问题,本文利用大气红外探测仪器AIRS(The Atmospheric Infrared Sounder)辐射率观测资料通过一维变分(1DVar)方法对其晴空视场点内的背景场海表温度进行调整,再运用GRAPES全球分析预报系统进行同化分析,研究了海表温度调整后对分析场的影响.结果表明,利用一维变分调整后的海表温度不仅使得低层通道的模拟亮温与观测亮温更加匹配,而且有效地改进了分析场,对位势高度场高、中、低层均有不错的改进,对低层湿度场以及风场的改进也较为明显.     

中国区域云特性分析及在FY-2云检测中的应用

云检测中所使用的云检测阈值正确与否是关系到云检测精度的重要因素。该文利用1983年7月-2007年6月ISCCP数据对覆盖我国及周边区域不同云类云顶温度的年、日变化特征进行分析, 得到云顶温度的分布特征; 对晴空下垫面与最暖云云顶温度差随纬度分布特征、不同区域晴空下垫面及云顶温度与晴空地表温度差日变化特征进行分析, 这些特征及每3 h的晴空下垫面24年平均亮温作为云检测算法的背景场, 用以判识实时动态提取云检测阈值的合理性。个例分析表明:利用多年平均晴空下垫面温度及最暖云云顶温度与晴空下垫面温度之差, 可有效识别云检测阈值的合理性, 合理的阈值有助于提高连续多日被云覆盖及冰雪下垫面条件下的云检测精度。     

红外高光谱资料近地面通道应用

由于下垫面的复杂性,卫星近地面通道的辐射率资料没有得到充分开发和利用。就我国自主研发的GRAPES 3DVar而言,红外高光谱近地面通道资料还没有应用于陆地,即使在下垫面相对简单的海洋,由于背景场海表温度估计不够准确,红外高光谱资料的使用效果也不甚理想。针对GRAPES模式的背景场海表温度估计不够准确这一问题,本文利用大气红外探测仪器AIRS(The Atmospheric Infrared Sounder)辐射率观测资料通过一维变分（1DVar）方法对其晴空视场点内的背景场海表温度进行调整,再运用GRAPES全球分析预报系统进行同化分析,研究了海表温度调整后对分析场的影响。结果表明,利用一维变分调整后的海表温度不仅使得低层通道的模拟亮温与观测亮温更加匹配,而且有效地改进了分析场,对位势高度场高、中、低层均有不错的改进,对低层湿度场以及风场的改进也较为明显。     

雷达TREC风的三维变分同化应用与试验

介绍了雷达TREC风场在中国气象科学研究院开发的三维变分同化系统GRAPeS-3DVar中的应用，研究了GRAPES-3DVar系统同化雷达TREC风场资料的一些基本特性，发现雷达TREC风场在GRAPES-3DVar中有较好的应用价值，能有效地提高分析产品的质量，并通过一个热带气旋登陆变性过程的数值试验，说明了在GRAPES-3DVar中加入雷达TREC风场也能改善预报效果。     

基于EOS/MODIS的台风"浣熊"云顶相态分析

借鉴MODIS云检测算法的地表生态分型和可信度思想,结合可见光和红外两方面的检测项目,介绍了为云相态分析提供输入的晴空像元检测方法。给出了多光谱判识云相态的综合流程,反演出2002年6月台风“浣熊”的云顶粒子相态分布,并结合1.38卷云检测与MODIS通道1、4、6合成图进行了分析。     

两种红外晴空辐射订正方法及其反演大气参数的比较

比较了目前开发的两种红外晴空辐射订正算法：1）匹配的红外和微波探测值融合的算法,如AIRS／AMSU晴空订正算法（大气红外探测器AIRS,先进的微波探测器AMSU）;2）匹配的红外成像与探测值融合的算法,如AIRS／MODIS晴空订正算法（中分辨率光谱成像仪MODIS）。结果表明,相对于MODIS的晴空观测值而言,AIRS／MODIS晴空订正算法优于AIRS／AMSU晴空订正算法,而且AIRS／MODIS晴空订正辐射值反演的大气温湿廓线与欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的客观分析场更接近;尽管这两种晴空订正算法本质上相当不同,但都是有效且互补的,当微波探测资料不能获得时,融合红外成像仪和探测器资料就成为唯一可靠的、间接使用有云影响的红外观测值的办法。     

用空间匹配的MODIS云产品客观确定AIRS云检测

中分辨率成像光谱仪MODIS有可见光及近红外通道,云检测能力超过大气红外探测器AIRS,在我们的算法中,AIRS云检测由落在每个AIRS视场中的精确空间匹配的1 kmMODIS云检测产品客观确定。实况资料测试说明该AIRS云检测算法简单易行且精度较高,目前正在业务使用。     

台风数值预报中受云影响微波卫星资料的同化试验

目前, 数值预报中卫星资料的应用主要只是针对晴空条件, 大量受云和降水影响的卫星资料被丢弃不加以使用。但是, 云雨区观测往往包含有大量与天气系统发生发展密切相关的大气信息, 对这部分资料的同化应用由此成为当前研究的一个重要问题。在快速辐射传输模式中云雨粒子辐射效应的考虑还有待于进一步完善情况下, 云雨区卫星资料的应用通常是采用云检测方案对观测受云影响的严重程度进行判识并决定使用的取舍。以0604号热带气旋Bilis作为研究个例, 该文设计了一组受云影响微波卫星资料不同云检测方案和通道选择的应用试验。对AMSU-A资料, 云检测方案包括散射因子、降水概率和小雨检测3种, AMSU-B卫星资料的云检测方法选用了通道2亮温模拟观测误差和Bennartz散射因子。在对进入分析系统卫星资料与天气系统的配置关系、卫星模拟与实际观测偏差特征的统计以及对初始分析影响研究的基础上, 探讨了它们对台风不同阶段数值预报效果的影响。     

高光谱红外云检测方案阈值的客观判定方法

GRAPES3Dvar大气红外高光谱云检测采用McNally andWatts(2003)的晴空通道方案,该方案基于模拟观测与实际观测偏差(B-O)进行检测,其中阈值的选取与预报模式有关。传统对云检测阈值的选取多采用主观判定方法,如图像对比分析等。文章在主观判定的基础上提出两种新的较为客观的阈值判定方法:(1)视场偏差分析:通过分析模拟观测与实际观测之间偏差的垂直分布,观察不同阈值下的云顶高度来评估阈值选取的合理性;(2)云检测指标评分:通过建立一系列云检测指标,对其进行评分来选取最优的阂值。并结合上述三种方法,将其应用于IASI辐射率资料的云检测阈值判定,其中梯度阈值对最后的云检测效果影响不大,保持与欧洲中心相同的值;偏差阈值则采用综合的分析方法进行判定,从而克服了单纯利用云图对比而带来的视觉误差。分析结果表明,偏差阈值取2.0 K、窗区通道梯度阈值取0.4 K,非窗区通道梯度阈值取0.02 K时云检测的效果最好。最后进行的为期1个月的试验显示:通过对比不同云检测偏差阈值的同化效果,选取的云检测闾值是有效的。     

有云环境下MODIS亮温资料的变分同化Ⅰ——方案设计与理想试验

云对红外辐射传输过程有十分重要的影响,在资料同化过程中考虑云的作用,不仅可以改进大气参数的同化效果,还可以利用红外资料调整部分云参数,减小云参数的初始误差。在GRAPES-3DVAR（Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System,全球/区域同化预报系统）基础上,增加云水含量、云冰水含量和云量作为同化系统控制变量,针对晴空、部分有云和完全有云等环境对MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,即中分辨成像光谱仪）的16个气象通道亮温进行了同化理想试验,结果表明当背景场模拟的亮温低于观测亮温时,分析场通过增温、减湿、减少云水含量、云冰水含量、云量可以达到升高模拟亮温的目的;反之可以降低模拟亮温;晴空环境下对温度、比湿的调整符合MODIS仪器的设计特点;有云环境下对云层以下的影响减弱。理想试验证实了在红外辐射资料同化过程中将云参数和大气参数同时作为同化系统控制变量,可以利用红外资料调整云参数和常规气象要素场,提高资料的利用率。     

Value-Added Products Derived from 15 Years of High-Quality Surface Solar Radiation Measurements at Xianghe,a Suburban Site in the North China Plain

Surface solar radiation(SSR) is a key component of the energy budget of the Earth’s surface, and it varies at different spatial and temporal scales. Considerable knowledge of how and why SSR varies is crucial to a better understanding of climate change, which surely requires long-term measurements of high quality. The objective of this study is to introduce a value-added SSR dataset from Oct 2004 to Oct 2019 based on measurements taken at Xianghe, a suburban site in the North China Plain; two va...     

新一代天气雷达晴空回波反射率因子特征分析

本文基于新一代天气雷达、地面自动站、探空资料和卫星资料，综合利用天气雷达反射率因子和气象要素等资料分析了晴空回波的特征。结果表明:我国不同地域（华北、华中、华东和华南）晴空回波具有明显的日变化和年变化特征，具体表现为每年的春秋两季天气雷达可探测到明显的晴空回波，而且晴空回波主要出现在傍晚到第2天清晨之间。进一步的分析表明雷达探测的晴空回波和折射指数的涨落关系密切，此外逆温层和高湿区的存在也与雷达是否能够探测到晴空回波存在较高的相关性。     

晴空回波特征与风场信息应用

为研究晴空回波风场信息在对流性降水天气中的预警应用价值,选取山东省临沂雷达站2008—2013年5—9月的观测数据分析降水晴空回波特征。研究发现:临沂地区5—9月约87%的日数会出现晴空回波,且90%以上出现在距离雷达站100km范围之内,反射率因子多在10~25dBz,具有明显日变化;晴空回波的速度产品能提供有效监测对流性降水出现前的大气低层风场信息,能一定程度反映低层湍流的耗散率,对降水过程有一定的指示性,相关研究成果对降低对流天气漏报率和提高预警提前量有重要意义。     

自然环境条件对太阳能资源计算影响的再思考

文章简单回顾了以前国内常用的太阳辐射资源的计算方法,评论了各自存在的主要问题。其中最重要的是我国大地势以及其他自然条件影响下的基础辐射问题。在以前的研究中虽也注意到了这一问题,但解决得既不理想,也不彻底。关键是这些解决方法依靠的仅仅是辐射实测站点的天文辐射数据。由于测站有限,直接影响到对不同经度、纬度、地势、气候等自然条件下的基础数据的推算。该文利用SMARTS模式依据每个气象站的平均气压、绝对湿度、能见度等数据推算出符合当地环境条件的晴天辐射数据,作为基础辐射数据,进而达到考虑各地真实大气条件来计算晴天辐射的目的。     

墙面可能晴天太阳辐射小时总量的计算与分布

以卡斯特洛夫公式为理论基础,得到各朝向墙面可能晴天太阳总辐射和直接辐射小时总量的计算方案,计算了我国704个气象站各月代表日各个朝向墙面的逐时辐射值,分析其变化规律,并讨论了最大1h辐射量的全国分布。结果表明：南墙晴天最大1h辐射量随纬度升高而增大,而且在冬季其辐射量在各墙面中最大;东、西墙受纬度因素影响相对较小,在夏季其辐射量在各墙面中最大。     

矿尘气溶胶短波辐射效应的初步研究

在辐射传输模式CRM中引入粒径为0.5、1.0、2.0、4.0、8.0 μm的5段矿尘气溶胶粒子,模拟计算气溶胶对短波辐射通量的影响.计算结果表明:气溶胶引起晴空短波净辐射通量减少;在分布有气溶胶的层内,粒子半径增大、光学厚度增大都会使短波净辐射通量减少;在气溶胶层以上,辐射通量的变化与具体的粒子半径有关.     

我国住宅区日照标准下墙面晴天太阳辐射分析

为研究我国不同地区住宅通过垂直墙面上的窗口实际接受到的太阳辐射量空间分布特征,以卡斯特洛夫公式为基础,建立了各朝向墙面晴天太阳总辐射和直接辐射小时总量的计算方案。使用水汽压和海拔高度拟合了公式中的参数,计算了我国各地满足国家标准对住宅间距要求下的水平面和垂直墙面辐射量,并绘制了分布图。研究发现:大寒日各朝向墙面晴天最大2 h辐射量空间分布受纬度和大气透明度共同影响,青藏高原为全国高值中心,川黔地区为低值中心。在我国东部地区,与水平面辐射量随纬度增加而降低的规律相反,同样是辐射量最大的2 h日照时间,纬度越高的地区南墙面接受的太阳辐射量就越大。与南墙相比,东、西墙面接收的最大2 h辐射量明显偏小,不能发挥阳光对健康和卫生的作用。上述结果表明,从大寒日建筑底层南墙面接收的最大2 h辐射量上看,适当放宽北方地区日照间距标准具有一定可行性。     

青藏高原晴天太阳直接辐射的计算和分析

本文根据1979年5～8月青藏高原气象科学实验资料,研究了利用卡斯特洛夫公式计算青藏高原晴天太阳直接辐射的有关问题。首先从原始资料中挑选出晴天太阳直接辐射并计算其日平均辐照度,然后以此为标准,利用迭代法反求可能太阳直接辐射日平均辐照度理论公式中的系数C,建立该系数与平均水汽压的经验公式,再利用经验式反演晴天太阳直接辐射。本文还比较了由乌克兰英采夫法确定的可能太阳直接辐射与实际晴天太阳直接辐射的差异,证实前者要比后者偏大,其偏离程度随站点拔海高度增加而缩小。文中最后讨论了青藏高原晴天太阳直接辐射日平均辐照度的地理分布,并分析了其随拔海高度的变化。     

多普勒雷达晴空回波识别与应用

在现有多普勒天气雷达资料质量控制基础上,采用徐州雷达站2009年4月和9月雷达资料,统计并对比几种常见的降水回波与非降水回波特性,找出一种有效地识别晴空回波的方法。该方法在不同径向距离区间(小于25km及25～200km)采用不同的识别参数,能够较好地将非降水回波中对临近预报有用的晴空回波信息保留,而将其他非降水回波信息(地物回波、超折射回波等)剔除。依据该方法识别的晴空回波区域所对应Doppler速度可用于判别大气平流状况,从而为预报工作提供帮助。